人们常常低估微小的生物。但微小的藻类细胞不仅进化得能在地球上最极端的栖息地之一——冰川中茁壮成长，而且还在塑造着它们。

冰川藻类如何挑战我们对进化的思考方式

我们与来自英国和加拿大的科学家团队一起追溯了数亿年前紫藻的进化过程，我们的发现挑战了进化过程的关键理论。这些藻类虽然体型很小，但对它们所栖息的冰川有着巨大影响。

冰川是地球上变化最快的生态系统之一。在夏季融化季节，随着冰川上形成液态水，紫色藻类大量繁殖，使冰面变暗，从而加速融化速度。冰川的这种迷人适应需要微藻来控制其生长和光合作用。这必须与极端融冰、温度和光照的耐受性保持平衡。

我们的研究发表在《新植物学家》杂志上，揭示了它们适应极端环境的能力是如何以及何时进化而来的。我们对冰川藻类Ancylonemanordenskiöldii的基因组数据进行了测序和分析。我们的结果表明，冰川藻类的紫色(起到防晒霜的作用)是由参与色素生成的新基因产生的。

这种色素，即紫红没食子素，可保护藻类细胞免受紫外线(UV)和可见光的伤害。它还与耐低温和干燥有关，这是冰川环境的典型特征。我们的基因分析表明，这种紫色色素的进化可能对冰川藻类的几种适应性至关重要。

我们还发现了一些新基因，它们有助于提高藻类对紫外线和可见光的耐受性，这是适应在明亮、暴露的环境中生存的重要因素。有趣的是，这些基因与光感增强以及修复阳光损伤的机制改善有关。这项研究揭示了藻类如何适应当今的冰川环境。

接下来，我们想了解这种适应性是在地球深远历史中何时演变的。

冰川藻类的进化

地球经历了多次气候变冷和变暖的波动。在数千年甚至数百万年的时间里，全球气候在冰期(寒冷)和间冰期(温暖)之间缓慢变化。

最剧烈的寒冷时期之一是元古代，可追溯到7.2亿至6.35亿年前，当时地球几乎完全被冰雪覆盖。这些冰川覆盖范围如此广泛，科学家有时将它们称为“雪球地球”。

科学家认为，当时的状况与我们今天在地球上看到的冰川和冰盖类似。因此，我们想知道：这一时期是否是推动冰川藻类进化的力量?

通过分析基因数据和藻类化石，我们估计冰川藻类大约在5.2亿至4.55亿年前进化。这表明冰川藻类的进化与元古代的雪球地球环境无关。

由于冰川藻类的起源晚于元古代，因此更近的冰川时期必定是藻类适应冰川的驱动因素。科学家认为，地球上的冰川环境一直持续到6000万年前。

然而，我们确实发现冰川藻类和陆地植物的共同祖先是在元古代左右进化的。

2024年2月，我们的分析表明这些古代藻类是多细胞的。包含冰川藻类的群体失去了形成复杂多细胞形态的能力，这可能是对元古代极端环境压力的回应。

我们已经证明，这些藻类并非变得更加复杂，而是变得简单并一直延续到今天。这是通过降低复杂性实现进化的一个例子。这也与公认的“进步行进”假说相矛盾，该假说认为生物进化成其祖先越来越复杂的版本。

我们的研究表明，多细胞性的丧失伴随着遗传多样性的大量丧失。这些基因的丧失主要与多细胞发育有关。这是它们从更复杂的祖先进化而来的简单形态的标志。

在过去的7亿年里，这些藻类凭借着微小的体型、抵御寒冷和阳光照射而存活下来。这些适应性让它们为如今在冰川上生存做好了准备。

这种适应性非常特殊，以至于只有少数藻类进化到可以在冰川上生存。这与生活在雪上的数百种藻类形成了鲜明对比。尽管如此，当冰川表面形成液态水时，冰川藻类会对广阔的冰原产生巨大影响。2016年，在格陵兰冰盖上，藻类生长导致径流增加了44亿至60亿吨。

了解这些藻类有助于我们理解它们在塑造脆弱生态系统中的作用。

我们的研究深入了解了冰川藻类从远古到现在的进化历程。面对不断变化的气候，了解这些微生物是预测地球冰冻环境未来的关键。